L ordinateur quantique

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1 L ordinateur quantique Année 2005/2006 Sébastien DENAT

2 RESUME : L ordinateur est utilisé dans de très nombreux domaines. C est un outil indispensable pour les scientifiques, l armée, mais aussi les entreprises du monde entier. Cependant, tous ne l utilisent pas de la même manière et certains secteurs commencent à arriver aux limites technologiques de l ordinateur. C est pour cela que les scientifiques tentent de trouver des solutions à ces limites et de faire évoluer cet outil. Certains scientifiques se sont penchés sur la mécanique quantique car, pour eux, l ordinateur quantique est une évolution probable de l ordinateur classique et une des plus prometteuse en termes de performances. Cela fait environ 20 ans que les scientifiques qui croient en cet ordinateur révolutionnaire travaillent dessus. Bien qu ils aient réussi à effectuer la première factorisation à l aide de cet ordinateur, le chemin pour arriver à concevoir cette machine est encore long et semé d embûches. En effet, les difficultés sont nombreuses. Il y a le problème de la lecture de l information quantique mais aussi la fabrication physique de l ordinateur en tant que tel. Mais toutes ces difficultés ne découragent pas ces chercheurs car les perspectives de cette machine sont incroyables. En effet, celle-ci ne possédera, en théorie, aucune limite de vitesse. Les chercheurs ont une autre raison pour croire à l avenir de cet ordinateur. Cette raison ne vient pas que des avantages de cette machine mais de l intérêt que des gouvernements peuvent lui porter car ce sont eux qui financent la recherche fondamentale sur la mécanique quantique. Le principal avantage de cet ordinateur est le niveau de sécurité qu il offre en cryptographie. En effet, les messages codés avec un tel ordinateur sont sûrs à 100%. Son utilisation pour sécuriser les communications militaires d une armée en opération est d un intérêt évident pour un gouvernement et cette application possible motive leurs décisions de financer la recherche. Mots clés : Ordinateur quantique, Qubits, mécanique quantique, algorithme, cryptographie, rapidité. 2/18

3 SOMMAIRE SOMMAIRE... 3 I. Introduction... 4 II. Qu est ce que l ordinateur quantique?... 5 A. Historique de l ordinateur quantique... 5 B. Fonctionnement de l ordinateur quantique... 6 III. Caractéristique de l ordinateur quantique... 9 A. Avantage... 9 B. Difficultés d un tel ordinateur IV. L avenir de l ordinateur quantique A. C est pour quand? B. Les applications V. Conclusion VI. Bilan du planning prévisionnel Bibliographie /18

4 I. Introduction L ordinateur quantique est une combinaison de deux grands domaines scientifiques : la mécanique quantique et l informatique. En choisissant ce sujet, mon objectif était de mieux comprendre une technologie qui m est totalement inconnue. En effet, la mécanique quantique, sur laquelle repose cet ordinateur, n est pas facile à comprendre car la mécanique quantique, qui régit le mouvement des corps dans les domaines atomiques, moléculaires et corpusculaires, est une théorie dont la logique est totalement contraire à l intuition et il est indispensable d avoir recours aux mathématiques pour bien la saisir. L ordinateur quantique est-il l avenir de l ordinateur? L ordinateur quantique est un concept assez vague quand on n est pas spécialiste du sujet. C est pourquoi il est important de pouvoir le définir et de connaître ses caractéristiques. Sera-t-il ou pas une véritable révolution, nous sommes en droit de nous demander quelle est l avenir d un tel ordinateur. 4/18

5 II. Qu est ce que l ordinateur quantique? A. Historique de l ordinateur quantique C est au début des années 80 que les scientifiques ont commencé à réaliser que l avenir de l ordinateur était basé sur la théorie quantique. En effet, ils ont pris conscience que l ordinateur actuel s approchait de plus en plus de ses limites car on ne peut pas miniaturiser à l infini. L hypothèse qui découla de ce constat fut donc que la prochaine évolution de l ordinateur reposerait sur la théorie quantique. Cependant, cette théorie est plus ancienne que cela. C est le physicien Richard Feynman qui fut le premier à se pencher sur la question dans les années 60. Le principe de l ordinateur quantique repose sur les propriétés de la mécanique quantique. Einstein, lui-même, contestait la mécanique quantique et proposait une expérience, qu il nomma paradoxe EPR, qui devait prouver que la mécanique quantique était inexacte. Mais cette expérience ne put être réalisée qu en 1981 par Alain Aspect car la technologie de l époque ne permettait pas sa réalisation. Le résultat de cette expérience prouva, sans aucune contestation, que la mécanique quantique régissait le déplacement des atomes. En 1993, les prémisses de l ordinateur quantique sont découvertes grâce à Charles Bennett (IBM Research), Gilles Brassard (Université de Montréal) et d autres scientifiques car ils mettent en évidence une propriété de l information quantique. Cette propriété va à l encontre de toutes les règles de la physique classique. Cette équipe de scientifiques met en place un protocole de téléportation qui utilise les propriétés du lien EPR découvert par Einstein. En effet, le lien EPR est une sorte de liaison entre deux particules. Cela signifie que les deux particules sont reliées entre elles et que toute action sur l une provoque la réaction de l autre. Donc, si l état d une des deux particules change l autre particule subira le même changement au même moment. C est grâce à ce protocole que Anton Zeilinger (Université de Vienne) réalise en 1997 la première téléportation de photon. En 1994, Peter Shor, des laboratoires AT T, avait imaginé un algorithme mettant à profit cette propriété pour factoriser de très grands nombres dans un temps "polynomial", ce qui signifie, en langage mathématique, que l'accroissement de la taille des clefs de cryptage ne serait plus un obstacle insurmontable. 5/18

6 En 1996, Lov Grover (Lucent) conçoit un algorithme quantique qui n'a besoin que de n requêtes à un oracle f pour trouver un élément qui satisfait f dans une base de données non ordonnées de taille n, là où le calcul classique requiert de l'ordre de n requêtes au même oracle. De 1999 à 2002, Isaac Chuang (IBM Research) conçoit et réalise un ordinateur quantique qui, bien que limité à 7 bits, lui sert à montrer que la physique permet, en effet, de mettre en œuvre expérimentalement les principes algorithmiques nouveaux imaginés sur le plan théorique par Peter Shor et Lov Grover. Le premier calcul d un ordinateur quantique a eu lieu en Ce premier calcul est 15=3*5. Ce calcul peut paraître insignifiant et d une simplicité extrême mais il est très important car il ouvre la voix à des applications pratiques. B. Fonctionnement de l ordinateur quantique Nous avons vu que nous ne sommes qu aux débuts de l ordinateur quantique et que cet ordinateur repose sur le principe de la mécanique quantique. De nos jours, les ordinateurs utilisent des bits qui possèdent deux états qui sont soit 0 soit 1. L ordinateur quantique utilisera des bits quantiques, des qubits. Ces qubits posséderont l état 0, l état1 mais aussi, et c est ce qui les rendent très intéressants, ils possèderont aussi les deux états à la fois, soit 0 et 1. En effet, c est sur ce principe de superposition, qui est qu un qubits possède les deux états 0 et 1, que repose l ordinateur quantique. Fig1 : un bit classique à gauche (2 états possibles), un qubit à droite (superposition des états 0 et 1 possible) 6/18

7 L'état d'un registre de 2 qubits pourra alors être 0, 1, 2 ou 3, mais aussi une superposition d'une partie quelconque de ces quatre états de base, voire même les quatre à la fois. L'état d'un registre de n qubits pourra être une superposition d'un ensemble quelconque des 2 n valeurs possibles sur n bits, y compris une superposition de toutes ces valeurs à la fois, alors qu'un registre de n bits classiques ne peut contenir, à chaque instant, qu'une seule de ces valeurs. Donc, comme les calculs transformeront l'état de tels registres, toute opération effectuée lors d'un calcul quantique pourra agir simultanément sur 2 n valeurs différentes. Ceci apporte un parallélisme massif : si une fonction peut être calculée avec 2 n arguments différents, on calculera toutes ses valeurs simultanément. Les lois de la physique quantique imposent que ces calculs simultanés soient réversibles et déterministes, ce qui ne réduit pas ce qu'on peut calculer, mais elles n autorisent pas de recopier l'état d'un registre dans un autre registre. Donc, dans un programme, nous ne pourrons pas affecter la valeur d'une variable quantique à une autre, ni utiliser cette valeur plusieurs fois. Cette propriété nous oblige à inventer un nouvel algorithme et des langages de programmation qui respectent les lois de la mécanique quantique. Une fois un calcul terminé, le résultat recherché est l'une des valeurs superposées dans un registre. Pour extraire le résultat, les physiciens devront effectuer ce qu ils appellent une mesure de ce registre. Selon les lois de la physique quantique, cette mesure produira l'une des valeurs superposées dans le registre, chacune avec une certaine probabilité et, en même temps, elle réduira la superposition que contenait le registre à une seule valeur, celle qui aura été choisie. La mesure provoque donc l'effondrement des états superposés. On finira par obtenir la bonne valeur si l algorithme quantique a été bien conçu. Donc, l'algorithmique quantique a pour but d'amener aussi près de 1 que possible la probabilité d'obtenir un résultat pertinent, et ceci en effectuant le moins d'opérations possibles. 7/18

8 Prenons deux objets, A et B, qui ont chacun plusieurs états possibles. Alors que la physique classique nous dit que l'état du couple A,B n'est autre que le couple de l état de A et de l état de B, en mécanique quantique cette affirmation n est plus vrai. En effet, il se peut que le couple A,B possède un état, alors que ni A ni B n'en ont un qui leur soit propre. On dit alors que A et B sont intriqués. Sans équivalent dans le monde classique, l'intrication est une ressource extraordinaire. Par exemple, si A et B sont des registres de qubits, et s'ils ont été intriqués lors d'un calcul, on peut imaginer l'état du couple A,B comme reliant indissociablement chacune des valeurs superposées dans A à une ou plusieurs des valeurs superposées dans B. Donc, si on mesure A, son état se réduit à une seule des valeurs qu'il contenait, mais l'état de B se réduit aussi, au même instant, à la superposition des valeurs qui étaient reliées à celle qui est restée dans A. Ceci est vrai si A et B sont côte à côte, mais demeure vrai s'ils ont été éloignés de millions de kilomètres l'un de l'autre après avoir été intriqués. Le couple A,B est toujours le couple A,B, quelle que soit la distance qui sépare ses constituants. 8/18

9 III. Caractéristique de l ordinateur quantique A. Avantage qubits. Nous avons vu précédemment que l ordinateur quantique était le résultat de l utilisation des Le principal avantage de cet ordinateur est le gain de temps. En effet, le fait que les qubits peuvent posséder l état 0 et l état 1 en même temps fait gagner un temps considérable. Pour illustrer celui-ci prenons un exemple simple, l ouverture d un cadenas. Pour trouver la bonne combinaison du cadenas classique, il faudrait essayer, une à une, chacune d'elles jusqu'à ce que le cadenas s'ouvre. Cependant, le cadenas quantique essaie toutes les combinaisons possibles en même temps et peut ainsi trouver la bonne combinaison beaucoup plus rapidement que le cadenas classique. Fig2 : ouverture d un cadenas classique Fig3 : ouverture d un cadenas quantique 9/18

10 Il existe deux grands algorithmes qui ont été conçus au début des années Tout d abord, il y a l algorithme de Shor. Cet algorithme permet la factorisation des nombres entiers par deux nombres premiers. En effet, il n existe aucune méthode qui, grâce aux ordinateurs classiques, permette de trouver cette factorisation. En effet, si le nombre que l on souhaite factoriser possède n chiffres, la factorisation nécessite, par les méthodes classiques, une complexité exponentielle, ce qui n est pas acceptable. En effet, Si l on veut factoriser un nombre de 300 chiffres, il faut effectuer, grâce aux méthodes actuelles, opérations. Si pour réaliser toutes ces opérations, on utilise l ordinateur le plus puissant que l on sache construire aujourd hui (capable de réaliser opérations par seconde), il faudrait à cet ordinateur ans pour effectuer tous les calculs nécessaires. Ce qui est vraiment très long! Cependant grâce à l algorithme de Shor et à l ordinateur quantique, ce temps est considérablement réduit. En effet, l algorithme de Shor et les calculs quantiques permettent de n effectuer que 10 7 opérations. De plus, en utilisant un ordinateur quantique capable de réaliser une opération par microseconde, il faudrait à cet ordinateur seulement 10 secondes pour factoriser un nombre de 300 chiffres. Le deuxième algorithme a été conçu par Grover et est complètement différent. En effet, l algorithme de Grover traite des problèmes de comparaison. Prenons, par exemple, un annuaire de 10 6 abonnés, rangés par ordre alphabétique. Les numéros de téléphones sont donc dans le désordre. Si nous voulons trouver un abonné grâce à son numéro de téléphone, nous devons comparer le numéro souhaité avec tous les numéros de l annuaire. Ce qui nécessite en moyenne comparaisons. L algorithme de Grover nous montre que les principes de calculs quantiques nous permettent de trouver la bonne réponse en effectuant un nombre de comparaisons égal à la racine carrée de la taille de la base de données, c est à dire seulement 1000 comparaisons. Le gain de temps de temps est beaucoup moins impressionnant qu avec l algorithme de Shor, mais cet algorithme concerne un problème classique qui est la recherche d information. 10/18

11 B. Difficultés d un tel ordinateur Ils existent plusieurs problèmes que les scientifiques vont devoir résoudre. Tout d abord, il y a le problème de la lecture d information. En effet, on sait que la mécanique quantique est indéterministe. C est à dire, que l on ne connaît pas l état des atomes. Par exemple, si on effectue un calcul, on ne connaît pas le résultat et la lecture de ce résultat détruit l information. Pour être plus clair, si nous effectuons un calcul compliqué, nous ne pourrons connaître que le résultat final. En effet, les résultats intermédiaires seront inaccessibles sous peine de détruire l information et ainsi de stopper les calculs. Ce problème n a pas encore été solutionné par les scientifiques. Cependant, nous avons vu qu une équipe de chercheurs avait réalisé la factorisation suivante : 15=3*5. Ceci est du au fait qu il n y avait pas de résultat intermédiaire. Donc, ce problème de perte d information existe seulement si nous avons besoin de connaître des résultats intermédiaires et n existe pas quand seul le résultat final nous intéresse. Le second problème est la réalisation physique d un ordinateur quantique. Les scientifiques ont plusieurs pistes. En effet, les qubits peuvent être de différents types. Ce peut être des photons, donc de la lumière, des molécules ou encore des atomes. Mais c est la méthode des molécules ou des atomes qui est la plus prometteuse. En effet, la résonance magnétique nucléaire qui crée un champ magnétique supérieur à 2 Tesla est capable de changer l état quantique des noyaux des molécules et des atomes. Cependant, cette méthode a une contrainte : il faut régulièrement remplacer l'hélium et l'azote liquide pour assurer la supra-conductivité car les produits ont tendance à s évaporer. 11/18

12 IV. L avenir de l ordinateur quantique A. C est pour quand? Malheureusement, on ne peut pas répondre à cette question avec précision. En effet, il serait hasardeux de donner une date précise car nous avons vu que de nombreux obstacles sont sur la route de ce nouveau type d ordinateur. En plus des problèmes techniques, il y a une difficulté supplémentaire. En effet, l arrivée de l ordinateur quantique dépend en grande partie de l intérêt qu il peut susciter pour les gouvernements. Car, les avancées technologiques sont très rapides quand il y a un phénomène de compétition. On retrouve dans l histoire des exemples de ce phénomène, par exemple, la fusion nucléaire destinée à produire de l énergie industrielle. Pendant des années, les réacteurs expérimentaux ont vécu dans une certaine indifférence générale. Puis subitement, à la suite de l'intérêt manifesté par les Etats-Unis dans une ambiance de compétition avec l'europe et le reste du monde pour la maîtrise de cette énergie du futur, le programme ITER a abouti et est devenu le meilleur exemple de ce phénomène. En matière de physique quantique ce sont les autorités gouvernementales qui financent les recherches. Donc, ce sont ces autorités qui sont en compétition et qui décident de l intérêt qu a un tel ordinateur pour leur pays. Cependant, si un pays débloque des fonds importants pour financer les recherche sur l ordinateur quantique les autorités des autres pays capables d effectuer de telles recherches seront, en quelque sorte, obligés de réagir et ainsi de financer les recherches. Il semblerait que les Etats-Unis d Amérique aient saisi l intérêt de mettre au point un tel ordinateur. Ils auraient encouragé leurs laboratoires de recherche et leurs entreprises à s'en donner la maîtrise technologique et à en généraliser l'usage à leur profit, bien avant les concurrents. Chacun sait aujourd'hui que la capacité de la science et de l'industrie américaine à s'appuyer sur des réseaux de très grands calculateurs constitue l'un des principaux moyens leur permettant d'assurer leur suprématie. Ainsi, d après toutes ces informations, certains scientifiques se sont risqués à avancer une date pour la mise au point de l ordinateur quantique. D après eux, cet ordinateur sera conçu en /18

13 B. Les applications Plusieurs applications sont envisageables pour l ordinateur quantique. Tout d abord, il y a le domaine scientifique. Cet ordinateur pourra servir à faire des calculs, des simulations qui demandent énormément de temps pour être réalisés par des ordinateurs classiques. Ceci permettra à la science d avancer beaucoup plus rapidement car les scientifiques perdront moins de temps à attendre que les calculs ou les simulations soient effectués par l ordinateur. L application la plus plausible est la cryptographie. La cryptographie est la science du cryptage. De nos jours, les clés de cryptage sont, pour être sûr à 100% de leur efficacité, aussi longues que le message que l on veut transmettre. C est le one-time pad de Vernam (appelé aussi «masque jetable»). Celui-ci a, par exemple, été utilisé pour coder le téléphone rouge entre Washington et Moscou. L inconvénient majeur de ce procédé de chiffrement était la taille de la clé qui devait être aussi longue que le message à envoyer. Elle était jusqu alors transportée par le biais de la valise diplomatique, qui n est pas sûre à 100%. L ordinateur quantique va résoudre ce problème. La sécurité sera alors assurée par les lois régissant la mécanique quantique et non par des théorèmes mathématiques. Dans l acheminement de la clé de chiffrement, l information correspondante sera transmise par le biais de photons, chacun d eux étant polarisé. La polarisation est mesurée par un angle variant de 0 à 180 et peut prendre quatre valeurs : 0, 45, 90, et 135. Lorsque les photons sont polarisés de 0 à 90, on parle alors de polarisation rectiligne. Pour ceux polarisés de 45 à 135, on parle de polarisation diagonale : Figure 04 : polarisation des photons 13/18

14 Afin de détecter la polarisation des photons, il est possible d utiliser un filtre polarisant suivi d un détecteur de photons. Si le filtre est orienté à 0, lorsqu un photon polarisé à 0 le traverse, celuici est enregistré par le détecteur. De façon opposée, si le photon est polarisé à 90, le détecteur n enregistrera rien. Dans le dernier cas où un photon aurait une polarisation diagonale, celui-ci serait enregistré une fois sur deux. De la même manière, si le filtre est orienté à 135, il se produira le même phénomène que pour les photons polarisés de façon rectiligne à savoir que les photons polarisés de façon rectiligne seront détectés une fois sur deux et les autres seront détectés ou non. Figure 05 : traversée d'un filtre rectiligne Exemple : Alice et Bob veulent maintenant communiquer. Ils disposent pour cela d un canal quantique et d un canal radio non sécurisé où ils peuvent discuter. Alice souhaite envoyer une clé secrète à Bob. Tous les deux décident que les photons polarisés à 0 ou 45 représentent un 0, et les photons polarisés à 90 ou 135 représentent un 1. Alice envoie alors son message. De l autre côté, Bob mesure soit les polarisations rectilignes (filtre orienté à 0 ), soit les polarisations diagonales (filtre orienté à 45 ). Bob sait alors que si un photon traverse le filtre, il peut noter un 0 et sinon il peut noter un 1. Il est évident que certaines mesures de Bob sont sans intérêt. En effet, il a peut être essayé de mesurer la polarisation rectiligne d un photon à 45. Pour résoudre ce problème, il signale à Alice, par radio, quel type de mesure il a fait, et cela pour chaque photon. Par la même occasion, Alice, lui indique quelles sont les mesures correctes (dans notre cas, les photons 1, 3, 4 et 7. Ainsi, l état de ces photons sont connus de nos deux protagonistes et constituent la clé secrète commune. 14/18

15 Figure 06 : échange entre Alice et Bob Imaginons une personne voulant intercepter les photons. Nous l appellerons Caroline. Une fois les photons interceptés, Caroline doit les renvoyer dans le même état qu Alice les avait envoyés précédemment. Malheureusement pour Caroline, durant l interception du message (en employant le même procédé que Bob), celle-ci a une chance sur deux de se tromper de filtre et donc de se tromper en renvoyant un photon à Bob. Si le photon est mal polarisé par Caroline, lorsque Bob le reçoit, il a une chance sur deux d obtenir un résultat différent, et donc pour chaque photon intercepté par Caroline, il y a une chance sur quatre que Bob reçoive une information erronée. Il suffit pour Alice et Bob de supprimer une partie de leur clé commune. Ils comparent alors publiquement quelques bits qu ils ont en commun. Si ces bits sont différents, ils ont été écoutés, sinon, ils sont garantis de ne pas l avoir été. 15/18

16 V. Conclusion Nous avons vu que cela fait maintenant 20 ans que les scientifiques ont pris conscience que l ordinateur classique allait bientôt atteindre ses limites. C est pour cela que certains d entre eux ont vu dans la mécanique quantique l avenir de l ordinateur. Seulement, de nombreux problèmes se sont très vite mis en travers de leur rêve. En effet, l ordinateur quantique a fait rêver tous les scientifiques car il ne possède, en théorie, aucune limite de vitesse. Mais la mécanique quantique est encore très mal maîtrisée, ce qui pose un énorme problème quand on veut fabriquer une machine basée sur cette mécanique. En effet, la lecture de l information quantique et la fabrication physique de l ordinateur sont encore à ce jour un obstacle quasi infranchissable. Cependant, toutes les promesses faites par l ordinateur quantique incitent les scientifiques à poursuivre leurs recherches et à multiplier les expériences. Ce sont les promesses faites par cet ordinateur exceptionnel qui va lui permettre de voir le jour. En effet, les avantages considérables tirés de cette machine ont incité les Etats-Unis d Amérique à financer la recherche sur l ordinateur quantique et ainsi pouvoir le réaliser en Cette formidable machine ne sera sans doute jamais commercialisée pour le grand public. En effet, bien qu il possède énormément d avantages, les problèmes pour le mettre au point sont trop compliqués pour le réaliser de façon industrielle. C est pour cela que seuls les scientifiques et les entreprises ayant besoin de ces incroyables capacités, comme l armée ou les fabricants de jeux vidéo, auront la possibilité de l utiliser. 16/18

17 VI. Bilan du planning prévisionnel Dans le rapport intermédiaire nous devions vous fournir un planning prévisionnel. Vous m aviez demandée de le revoir car il était peu compréhensible. Vous souhaitiez un planning sous forme de tableau, donc j ai refait mon planning pour qu il soit plus clair. Planning prévisionnel : Activité Fin des recherches Plan final Début rédaction du rapport Fin de la rédaction du rapport Impression du rapport Dates 20 avril 15 mai 16 mai 2 juin 7 juin J ai réussi à suivre mon planning prévisionnel, les dates fixées ont été respectées. Ceci a été très intéressant de faire un planning prévisionnel pour ce fixer des objectifs pour avancer de façon cohérente et éviter d être pris de court par la date butoir à laquelle il faut vous rendre le rapport. 17/18

18 Bibliographie [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] 18/18